Графеновые аккумуляторы кардинально изменят нашу жизнь. С их использованием станет возможной по-настоящему быстрая зарядка как мобильных устройств, так и электромобилей. Инженеры предполагают увеличение удельной ёмкости батареи в несколько раз.
Ко всему прочему графен – экологически чистый материал. Вред окружающей природе будет сведён к минимуму. Однако до сих пор производство таких аккумуляторов в промышленных масштабах не началось. Мы по-прежнему пользуемся литий-ионными аккумуляторами. Что мешает человечеству перейти на новые АКБ?
Что такое графен и как из него делают аккумулятор
Графен – новый материал. Был получен впервые в 2004 году. Право открытия принадлежит британским учёным Манчестерского университета, выходцам из России – А. Гейму и К. Новосёлову. Им впервые удалось в ходе эксперимента получить двумерный кристалл, который состоит только из одного слоя атомов углерода.
ГРАФЕН В ПРОШЛОМ?! Найден новый чудо-материал!
Графен представляет собой всего один слой графита, который отделили от кристалла.
Благодаря такой структуре графен обладает уникальными свойствами: высокая механическая прочность и теплопроводность, гидрофобность и электропроводность. Это невероятно тонкий и одновременно один из самых прочных материалов, известных человечеству.
Он устойчив к разным воздействиям и экологически безопасен. Такие свойства открывают большие перспективы его применения для создания электронных устройств, в том числе аккумуляторных батарей.
Применение нового материала позволяет создать безопасный графеновый аккумулятор, обладающий длительным сроком эксплуатации, быстрым зарядом, лучшей теплопроводностью, меньшим весом и большей ёмкостью.
Принцип работы и устройство
Сначала рассмотрим устройство литиевой аккумуляторной батареи.
В батареях этого типа накопление электрического заряда происходит за счёт проникновения ионов лития в графитовый анод. Именно графит позволяет обеспечить их надёжное удержание, что снижает саморазряд батареи.
Теперь рассмотрим строение графеновой АКБ. По своей конструкции она похожа на литиевую АКБ. Однако просто заменив графит на графен в аноде, мы лишим ионы лития возможности проникать внутрь.
Это означает, что они будут накапливаться только на поверхности, что приведёт к значительному саморазряду такого аккумулятора. Поэтому применение графена для изготовления анода или катода аккумуляторов – не оптимальное решение.
15×4 — 15 минут про графен
Разумеется, учёные ищут пути решения этой проблемы. Разработано два варианта аккумуляторов на основе графена:
- Американский вариант. В качестве материала для анода применяется кобальтат лития, а катод собирают из графеновых и кремниевых пластин.
- Российский вариант. Магний-графеновые аккумуляторы. В качестве материала анода применяется оксид магния. Он более доступен и менее токсичен. Конструкция катода аналогична первому варианту.
Чем лучше популярных литиевых
В теории использование графена позволит увеличить скорость заряда аккумулятора за счёт того, что материал обладает низким электрическим сопротивлением и хорошо проводит тепло.
Это очень важно, так как при нагреве литиевой батареи возрастает электрическое сопротивление, а значит, нагрев ещё увеличится. В свою очередь, он повышает сопротивление…
Совместное воздействие этих факторов сокращает срок службы батареи и даже приводит к её разрушению. Достаточно вспомнить неудачный пример одной известной южнокорейской фирмы, произошедший недавно.
В теории использование графена позволит создать графеновые батареи, имеющие малый вес и высокую удельную ёмкость. Хорошая электропроводность и теплопроводность позволят получить гораздо лучшие характеристики, чем у литиевых батарей. Такие аккумуляторы будут иметь длительный срок службы и приносить меньший вред окружающей среде.
Несмотря на то что сырьё для их изготовления – углерод, который, как мы отлично знаем, – распространённый элемент, получение нового материала в промышленных масштабах пока не освоено.
Чистый графен, пригодный для производства электронных приборов, сейчас стоит баснословных денег! К сожалению, пока учёные не смогли открыть дешёвый способ его получения в больших количествах.
Применение графена в существующих типах аккумулятора
Стремясь снизить стоимость и саморазряд, производители идут на уловки. То есть в аккумуляторах, которые они гордо называют «графеновые батареи», на самом деле не применяется чистый графен, а лишь в виде добавок.
Именно использование добавок, причём только 5-10%, улучшает характеристики выпускаемых литиевых аккумуляторов. Такие АКБ получили название гибридных и уже долго применяются в смартфонах ведущих производителей.
Один из таких примеров – АКБ для смартфона Honor Magic.
В начале 2020 года компания Real Graphene запустила производство повербанка на 10000 мА ч с гибридной графеновой АКБ. По словам производителя, такая АКБ меньше греется, поэтому время полного заряда составляет примерно 55 минут. Она выдерживает до 1500 циклов заряда-разряда.
Сфера применения — стоит ли ждать в смартфонах и электромобилях
Суммируя всё написанное выше, ожидать скорого появления графеновых аккумуляторов для электромобилей и смартфонов в ближайшее время не стоит. Скорее всего, настоящая графеновая батарея нескоро увидит свет.
Технология только разрабатывается, и её дальнейшее развитие пойдёт по пути дополнения уже привычных нам технологий производства литиевых аккумуляторов. Продвигаясь в этом направлении, можно раскрыть весь их потенциал.
Несмотря на то что технология уже отработана и запущена в производство, предельное значение энергоёмкости литиевых АКБ не достигнуто. Если сравним эти значения с данными на начало появления АКБ данного типа, то увидим, что энергоёмкость возросла в два раза. Подтверждением этому служит и решение крупнейшего производителя электромобилей в мире – компании Тесла – разрабатывать АКБ литиевого типа.
Проблемы и перспективы
Повсеместному внедрению графеновых аккумуляторов препятствует сложность производства графена (как следствие – высокая стоимость АКБ) и сами производители литиевых АКБ. Они вложили большие деньги в эту технологию, а значит, напрямую заинтересованы в её окупаемости и получении прибыли. При этом технологии производства графеновых АКБ пока разрабатываются и далеки от совершенства. Они требуют значительных денежных затрат.
Даже если предположить, что дешёвый и эффективный графеновый аккумулятор был бы уже создан, для запуска промышленной линии потребовались бы значительные финансовые затраты. Они не смогут окупить себя в ближайшем времени, и производитель неминуемо понесёт убытки.
Хорошие результаты показывает применение нанокомпозитных материалов. Экспериментируя с составами из разных оксидов металлов и с графеном, исследователи добиваются увеличения срока службы батарей даже при значительном токе. Это обуславливается высокой электропроводностью графена и способностью хорошо проводить тепло. К сожалению, снизить влияние невысоких температур на работу АКБ разработчикам пока не удаётся.
Однако прогресс нельзя остановить, и в конечном итоге тот производитель, который сумеет наладить выпуск графеновых АКБ, завоюет большую часть рынка.
Спасибо, помогло! 2
Сейчас читают:
Что такое технология EFB в аккумуляторных батареях и как их заряжать?
Зачем нужны литий-титанатные аккумуляторы для автомобиля
Что такое оптимизированная зарядка на айфоне 11 и других моделях
Какие аккумуляторы используются в электромобилях
Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?
Источник: acums.ru
Графен — материал будущего
Углеродная пленка толщиной в один атом сделает ПК значительно более мощными — графен в скором времени будет использоваться во многих компьютерных компонентах.
Углеродная пленка толщиной в один атом сделает ПК значительно более мощными — графен в скором времени будет использоваться во многих компьютерных компонентах.
Графен пока еще довольно дорог. На сайте graphenea.com четыре небольшие пластины на кремниевой подложке продаются по цене €249 (около 10 500 рублей)*.
Нет ничего легче, тверже, прозрачнее и в то же время эластичнее, чем один слой карандашного грифеля. Он состоит из графита, то есть кристаллизованного углерода. Если взять слой графита толщиной в один атом, мы получим графен. Это очень прочный, но при этом необычайно гибкий материал. Он проводит ток и тепло так же хорошо, как и металлы, и в то же время прозрачен как стекло.
Электроны перемещаются по графену почти в 100 раз быстрее, чем по кремнию, который является в настоящее время основным материалом при производстве процессоров. Таким образом, если использовать графен при изготовлении чипов, то он сможет значительно повысить производительность компьютеров. Получить графен удалось относительно недавно, девять лет назад, физикам Андрею Гейму и Константину Новоселову.
По мнению ученых, применение графена в оборудовании связи может увеличить скорость передачи данных в десятки и даже сотни раз. За открытие графена Андрей Гейм и Константин Новоселов, работающие в Англии, получили в 2010 году Нобелевскую премию по физике.Возникает вопрос, где именно можно применить этот чудо-материал? Ответ на него только Евросоюзу будет стоить не менее миллиарда евро — именно такую сумму намерено инвестировать европейское сообщество в ближайшие годы в проекты по изучению свойств графена. Однако не только государства, но и крупные IT-компании, такие как Nokia и Samsung, включаются в работу по исследованию графена.
Для получения графена от невзрачного куска графита (1) необходимо отделить слой атомов. Электронный микроскоп позволяет рассмотреть равномерную ячеистую структуру материала (2).
Технологический рывок в развитии ПК
Что такое графен: способ получения, свойства и применение
О возможности существования графена теоретически ученые знали уже давно. Однако впервые этот интересный материал был получен в 2004 г. специалистами Манчестерского университета К. Новоселовым и А. Геймом. За свои разработки эти ученые в 2010 г. были удостоены Нобелевской премии.
Статьи по теме:
- Что такое графен: способ получения, свойства и применение
- Силикат натрия: свойства и применение
- Примеры полупроводников, типы, свойства
Поскольку получен графен был относительно недавно, повышенный интерес к себе он привлекает как со стороны ученых, так и простых людей. В любом случае, благодаря своим необычным свойствам, он считается одним из самых перспективных наноматериалов, способов применения которому можно найти множество.
Что такое графен
С давних времен людям были известны две модификации углерода — алмаз и графит. Разница между этими двумя веществами заключается лишь в строении кристаллической решетки.
У алмазов атомные ячейки имеют кубическую форму и отличаются плотной организацией. Графит на атомарном уровне состоит из расположенных в разных плоскостях пластов. Именно строение кристаллической решетки и определяет свойства обоих этих веществ.
Алмаз — самый твердый материал на планете, графит же легко разрушается и крошится. Происходит разрушение графита из-за того, что атомы в его кристаллической решетке, находящиеся в разных слоях, практически не имеют связей. То есть при механическом воздействии пласты графита просто-напросто начинают отделяться друг от друга.
Именно благодаря такому свойству этой углеродной модификации и был получен новый материал — графен. Представляет он собой просто один из пластов графита толщиной в один атом.
Внутри каждого одноатомного слоя связи в графите даже более прочны, чем в кубических ячейках алмаза. Соответственно, и материал этот является более твердым, чем алмаз.
Способ получения и свойства
Способ получения графена К. Новоселов и А. Гейм разработали технологически простой, но достаточно трудоемкий. Ученые просто закрашивали графитовым карандашом обычный скотч, а затем складывали его и разлепляли. В результате графит разделялся на два пласта. Далее ученые повторяли эту процедуру огромное количество раз до получения самого тонкого слоя в один атом.
Поскольку связи в двухмерной решетке этого материала необыкновенно прочны, на настоящий момент он является самым тонким и прочным из всех известных человечеству. Свойства графен имеет следующие:
- почти полную прозрачность;
- хорошую теплопроводность;
- гибкость;
- инертность к кислотам и щелочам при обычных условиях.
Вес графен имеет очень небольшой. Всего несколько грамм этого материала можно использовать для того, чтобы полностью покрыть футбольное поле.
Также графен является идеальным проводником. Учеными была создана лента этого материала, в которой электроны способны пробегать, не встречая препятствий, более 10 микрометров.
Расстояние между атомами в этой углеродной модификации очень невелико. Поэтому через этот материал не могут проходить молекулы каких-либо веществ.
Возможные способы применения графена
Материал это на самом деле очень перспективный. Из графена, к примеру, можно делать гибкие и абсолютно прозрачные экраны смартфонов и телевизоров.
Также считается, что этот материал в скором времени будет активно использоваться для получения питьевой воды из морской или очистки пресной. Тонкие пластины графена со специально проделанными в них отверстиями по размеру молекул воды могут быть использованы как фильтры для солей и других веществ.
На основе непроницаемого графена можно также создавать антикоррозийные аэрогели для металла, к примеру, для кузовов автомобилей.
Поскольку этот материал отличается высокой прочностью и при этом имеет небольшой вес, его можно использовать и в авиастроительной отрасли. Считается также, что прозрачный графен будет широко применяться в качестве альтернативы кремнию при производстве фотоэлементов.
Многие ученые полагают, что этот материал способен, помимо всего прочего, использоваться для производства емких батарей. Смартфоны с такими батарейками, к примеру, будут заряжаться всего несколько минут или даже секунд, а работать затем очень долгое время.
Источник: www.kakprosto.ru